Спустя более 100 лет после того, как Альберт Эйнштейн впервые изложил свои идеи о том, как гравитация вплетается в ткань пространства-времени, у нас до сих пор нет другой модели, которая лучше определяет, как объекты во Вселенной движутся и ведут себя . Общая теория относительности-это не просто более гладкое объяснение, чем любая предлагаемая альтернатива; это лучше всего проявляется, особенно в последние годы, благодаря обнаружению гравитационных волн, пульсирующих через космос, и в первом в истории изображении черной дыры.
Но общая теория относительности не безупречна. В то время как он объясняет подавляющее большинство того, что мы наблюдаем через Вселенную, он оставляет свою долю трещин. Это привело к появлению альтернативных моделей гравитации, которые пытаются заполнить эти пробелы в знаниях. Одна из этих моделей - "теория хамелеона", называемая гравитацией f(R), и новое исследование, опубликованное в Nature Astronomy на этой неделе, предполагает, что это может быть жизнеспособная модель для описания того, как гравитация повлияла на некоторые из самых больших объектов в известной вселенной.
"Это исследование впервые продемонстрировало, что альтернативная теория гравитации, несмотря на сложное поведение гравитационной силы, все еще может создавать реалистичные галактики”, - говорит Баоцзю Ли, профессор физики в Университете Дарема в Великобритании и соавтор новой статьи. "Подобные исследования помогут нам проверить осуществимость теории, а также определить места, где мы можем проверить различные теории гравитации, используя будущие данные наблюдений “
Теория хамелеона-это общий термин для класса теорий гравитации, отклоняющихся от общей теории относительности. Стандартная физика описывает существование четырех фундаментальных сил (гравитации, электромагнетизма и сильных и слабых взаимодействий, работающих на субатомном уровне). Но теория хамелеона рассматривает существование дополнительной,” пятой силы", скрытой в плотных областях пространства, таких как Солнечная система, но гораздо более влиятельной в регионах с низкой плотностью.
РЕКЛАМА
"Такое поведение теории, зависящее от среды, получает название "Теория хамелеона", - говорит Ли. Большая часть Вселенной существует в условиях низкой плотности, что означает, что существует большой потенциал для поиска сигнатур этой силы сдвига формы и использования ее для проверки теорий хамелеона.
F (R) гравитация-одна из так называемых теорий хамелеона. По словам Ли, с начала 1970-х годов он стал альтернативой общей теории относительности, изучался в разных контекстах как гравитационная модель, объясняющая как раннее зарождение Вселенной, так и ее текущее состояние.
Он нашел возрождающийся интерес среди ученых в 1990-х и начале 2000-х годов, когда космологические данные начали показывать, что расширение Вселенной действительно ускоряется. Ли говорит, что, хотя общая теория относительности работает “очень хорошо практически”, чтобы описать это ускоренное расширение с помощью темной энергии, есть некоторые расхождения между тем, что эта модель предсказывает, и тем, что ученые действительно наблюдали в данных. И тот факт, что мы никогда не наблюдали темную энергию, всегда был космологической занозой в стороне общей теории относительности.
Вот уловка: когда вы возитесь с гравитацией, вы в основном возитесь со всем остальным во Вселенной. Гравитация решает, как материя собирается в камни, астероиды, звезды, галактики—как буквально все принимает форму. Если F (R) гравитация правдоподобна, она должна способствовать Вселенной, которая выглядит как наша, где галактики выглядят как спирали и эллипсы, а не как серия небесных тестов Роршаха.
Ли и его команда провели суперкомпьютерное моделирование Вселенной, управляемой гравитацией f(R), и обнаружили, что “реалистичные галактики, такие как наш Млечный путь, могут формироваться со свойствами, которые мы ранее наблюдали, даже среди сложного поведения пятой силы”, - говорит он. Это было несмотря на то, что измененная гравитационная модель вызвала изменения количества тепла, выделяемого черными дырами при поглощении материи—динамика, которая могла бы сильно нарушить формирование галактик, но почему-то этого не произошло.
В то время как результаты, безусловно, поднимают призрак, что что-то другое, кроме общей теории относительности, управляет миром, Ли и его команда подчеркивают, что они, конечно же, не утверждают, что доказывают, что гравитация F(R) реальна или опровергает общую теорию относительности. Симуляция исследования - это просто симуляция. "Пятая сила" может действительно существовать и влиять на то, как вещи формируются во Вселенной, но пока у нас нет наблюдений или данных, которые доказывают, что такие взаимодействия реальны, мы просто теоретизируем.Сами моделирования построены на основе данных, которые мы собрали до сих пор, и “нужно иметь в виду, что формирование галактик является активно развивающейся областью исследований, и все еще есть вещи, которые являются неопределенными”, - говорит Ли. Ложные сигналы, которые мы измерили, дыры в данных и другие неопределенные переменные могут легко привести к ошибочному моделированию. И то, что мы никогда не наблюдали темную энергию, еще не значит, что она отменена.
Мы никогда не узнаем, заслуживает ли общая теория относительности загрузки или нет, если мы не сможем проверить F(R) гравитацию и другие теории хамелеона в реальном мире—и это, очевидно, намного легче сказать, чем сделать. Мы знаем, что хамелеоны меняют свой цвет, потому что мы видели это в реальной жизни. Но как мы должны видеть, как меняются законы гравитации? Как это можно наблюдать? На этот вопрос нет простого ответа.
Исследователи Дарема надеются начать эту задачу, используя предстоящий массив квадратных километров, чтобы начать наблюдения в 2020 году. Это будет самый большой в мире радиотелескоп, расположенный на двух континентах и достаточно мощный, чтобы заглянуть далеко в космос и наблюдать звезды и галактики, которые сформировались вскоре после Большого Взрыва. Всего через несколько лет мы могли бы собрать некоторые данные, которые показывают что-то о темной энергии и общей теории относительности, или может ли теория хамелеона влиять на вселенную.Честно говоря, то, что влияние Эйнштейна заменено видом ящерицы, звучит не так уж плохо.
